艦載航空特種電源與蓄電池充放電裝置的一體化設(shè)計(jì)

王德心，張曉杰，楊秀芹

（海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū)艦面保障與場(chǎng)站管理系，山東青島266041）

0 引言

艦面空間狹小，大而笨重的保障設(shè)備所占空間資源較多，大大降低艦船武器裝備的攜載能力，因此小型化、集約化的保障設(shè)備成為艦載保障裝備的發(fā)展趨勢(shì)。

目前，艦載飛機(jī)艦面電源保障設(shè)備主要有特種電源和蓄電池充放電裝置。特種電源保障設(shè)備包括直流電源、中頻電源兩種類(lèi)型，分別提供飛機(jī)艦面啟動(dòng)28.5V直流電源和115/200 V、400 Hz檢查、維修中頻電源；蓄電池充放電裝置用于保障機(jī)載航空鎘鎳蓄電池的充、放電性能要求。特種電源、蓄電池充放電裝置均為箱體立式結(jié)構(gòu)，分別占用艙室空間，并需分別進(jìn)行維護(hù)。特種電源的直流電源部分與蓄電池充放電裝置，同為直流電源，若將特種電源、充放電裝置進(jìn)行集約化設(shè)計(jì)，將兩種設(shè)備合二為一，不僅節(jié)省保障裝備的成本，還能夠節(jié)省寶貴的艙室空間資源，降低維護(hù)工作量。

1 艦面特種電源與蓄電池充放電裝置

不同的艦（船），配置的特種電源和蓄電池充放電裝置型號(hào)雖有不同，但其功能、基本結(jié)構(gòu)類(lèi)似。現(xiàn)以某型艦的航空特種電源和蓄電池充放電裝置為例進(jìn)行說(shuō)明。

某型艦搭載直升機(jī)，直升機(jī)啟動(dòng)電源為28.5 V直流電，裝載的航空蓄電池為鎘鎳蓄電池。該艦特種電源中的直流部分，輸入電源為380 V、50 Hz三相艦電，在內(nèi)部經(jīng)過(guò)整流、逆變環(huán)節(jié)之后對(duì)外輸出28.5 V直流電，為飛機(jī)提供啟動(dòng)電源。

蓄電池充放電裝置為直升機(jī)機(jī)載航空鎘鎳蓄電池進(jìn)行充電或放電。蓄電池充電電源為直流電，蓄電池充放電裝置的輸入電源為三相三線(xiàn)制 380V、50 Hz工頻交流電，通過(guò)大功率半導(dǎo)體器件將交流電變換為直流電，給蓄電池充電。蓄電池充放電裝置有兩路充放電線(xiàn)路，可同時(shí)充放兩塊鎘鎳蓄電池。鎘鎳蓄電池充電電壓最高為36 V，最低為20 V。蓄電池放電時(shí)，電能消耗于耗能電阻，耗能電阻安裝在設(shè)備箱內(nèi)。

特種電源的直流部分與蓄電池充放電裝置都是將三相交流艦電變換成低壓直流電，兩者具有共性，具備集約化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

2 艦面特種電源與蓄電池充放電裝置組成結(jié)構(gòu)

2.1 直流電源組成結(jié)構(gòu)

艦載特種電源包括直流電源與中頻電源兩部分，兩者在電氣結(jié)構(gòu)上、功能上是相互獨(dú)立的，只是安裝在一個(gè)殼體內(nèi)部。直流電源輸入工頻三相三線(xiàn)制交流電，電壓為380V，頻率為50 Hz，在內(nèi)部經(jīng)過(guò)整流、逆變之后對(duì)外輸出28.5V直流電。直流電源的輸出功率10 kW，電壓脈動(dòng)范圍28.5V±10%，額定電流 350A，最大電流 700A，輸出的直流電源經(jīng)直流電纜連接到艦載直升機(jī)的直流電源插座上，特種直流電源與飛機(jī)電氣連接關(guān)系如圖1所示。

圖1 特種直流電源與相關(guān)設(shè)備電氣連接關(guān)系示意圖

特種直流電源電路圖如圖2所示。380 V、50 Hz三相交流艦電在直流電源內(nèi)部經(jīng)整流得到500 V～600 V的直流電，再經(jīng)晶閘管SCR的軟上電電路及L、C輸入濾波器后，給S1～S4組成的高頻IGBT開(kāi)關(guān)管逆變橋供電；HL為霍爾元件，檢測(cè)直流母線(xiàn)電流；RDC為直流母線(xiàn)緩沖，用于吸收由于高頻變換產(chǎn)生的電壓尖峰。經(jīng)過(guò)高頻逆變橋的變換后，直流母線(xiàn)電壓變換為高頻交流電壓，再經(jīng)隔直電容Cb和諧振電感Lr后，輸入高頻變壓恢復(fù)二極管D1～D12的整流作用后，得到直器T1～T6，經(jīng)過(guò)T1～T6的隔離變換以及快流電壓。Lf、Rf構(gòu)成輸出濾波器，通過(guò)該濾波器的作用，可以很好的限制輸出28.5V直流的電流紋波和電壓諧波。Rf為能量釋放電阻，當(dāng)設(shè)備停止供電后，Cf上的能量通過(guò)它泄放掉。

圖2 特種直流電源

2.2 蓄電池充放電裝置的組成結(jié)構(gòu)

蓄電池充放電裝置的電路圖如圖3所示。蓄電池充放電裝置內(nèi)部包含兩套功能一樣的充/放電器，除輸入濾波、輸入電源顯示和電源開(kāi)關(guān)部分共用外，兩套充/放電器是完全獨(dú)立的。蓄電池充放電裝置采用功率電子技術(shù)，通過(guò)大功率半導(dǎo)體器件將交流電變換為直流電，給蓄電池充電。蓄電池放電時(shí)，電能消耗于耗能電阻，耗能電阻安裝在設(shè)備箱內(nèi)。

蓄電池充放電裝置的核心部分為充、放電功率電路，功率電路主要包括電源變換器、充/放電功率變換器。

電源變換器為半控橋電路，功率管為場(chǎng)效應(yīng)管，當(dāng)充/放電開(kāi)關(guān)設(shè)定為充電狀態(tài)，三相交流電整流后再經(jīng)半控橋逆變、高頻隔離和整流，轉(zhuǎn)換為直流電供給后級(jí)電路。

充/放電功率變換器采用電流雙向功率變換器實(shí)現(xiàn)電池的充放電，采用恒流限壓充放電方式，變換器的最高輸出電壓設(shè)定為36 V，充放電電流值由電流傳感器檢測(cè)。當(dāng)充放電選擇開(kāi)關(guān)設(shè)定為充電狀態(tài)時(shí)，輸入380 V、50 Hz三相交流電經(jīng)電源變換器降壓后提供給降壓變換器，由降壓變換器調(diào)整為恒定電流給電池充電。當(dāng)設(shè)定為放電方式時(shí)，升壓變換器將電池能量以恒流放電方式消耗在放電電阻上。

3 改進(jìn)的直流電源、蓄電池充放電裝置設(shè)計(jì)

特種直流電源的輸出電壓為28.5 V直流電，蓄電池充電電壓為介于20 V至36 V之間的直流電，兩種直流電均通過(guò)變換380 V/50 Hz的三相交流艦電而獲得。

對(duì)于飛機(jī)啟動(dòng)用電，國(guó)軍標(biāo)對(duì)其有有嚴(yán)格的規(guī)定，要求飛機(jī)每次起動(dòng)成功率達(dá)到 100%。因此，為了滿(mǎn)足飛機(jī)啟動(dòng)用電需求，艦面特種直流電源設(shè)備首先將輸入的三相艦電整流成直流，然后將直流電逆變成高壓、高頻交流電，高壓、高頻交流電經(jīng)過(guò)降壓、整流、濾波后對(duì)外輸出28.5 V直流電源，保障飛機(jī)啟動(dòng)用電。經(jīng)過(guò)高壓、高頻逆變后獲得的直流電源，紋波小，供電品質(zhì)高，而且高壓、高頻逆變?cè)O(shè)備體積小、重量輕，更適合應(yīng)用于空間狹小的場(chǎng)合。

蓄電池充放電裝置為蓄電池提供充電用的直流電源，國(guó)軍標(biāo)中對(duì)蓄電池充放電裝置用電沒(méi)有特殊的規(guī)定。艦電充放電裝置的直流電是將 380 V/50 Hz三相交流電整流，再將整流后的直流電經(jīng)半控橋逆變、高頻隔離，最后接入整流電路，為充電電路提供直流電源。陸基充電設(shè)備是將市電經(jīng)降壓、整流、濾波后獲得充電用20 V～36 V的直流電源。

對(duì)比特種直流電源與蓄電池充放電裝置的電源變換方式，可發(fā)現(xiàn)特種直流電源變換核心部分采用的是全控橋逆變方式，蓄電池充放電裝置采用的是半控橋逆變方式。

半控橋逆變與全控橋逆變工作原理基本相同，都能夠?qū)崿F(xiàn)直流到交流的變換，只是驅(qū)動(dòng)形式不同。全控橋逆變由四個(gè)驅(qū)動(dòng)管輪流工作，而半控橋逆變電源變換中由兩個(gè)驅(qū)動(dòng)管輪流工作。相對(duì)于半橋逆變，全橋逆變的開(kāi)關(guān)電源承載的電流減小了一半。飛機(jī)在使用28.5 V直流電源起動(dòng)過(guò)程中電流較大，最大電流可達(dá)上千安，因此，在直流電源的逆變電路中選用了全橋逆變；而充電裝置工作電流較小，每路的充放電電流為 3 A～40 A，則選擇了半控橋逆變。全控橋逆變電源電流承受能力大，完全能夠滿(mǎn)足直流電源、蓄電池充放電裝置同時(shí)工作的電流需求。同時(shí)直流電源的全控橋逆變電源品質(zhì)完全能夠保證蓄電池充電裝置的電源品質(zhì)需求。因此，改進(jìn)的直流電源、蓄電池充放電裝置以特種直流電源的結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)進(jìn)行改進(jìn)。改進(jìn)的直流電源、蓄電池充放電裝置的電路圖如圖4所示。

從圖4中可見(jiàn)，改進(jìn)的特種直流電源、蓄電池充放電裝置電路主要包括三個(gè)部分：公共變電裝置、直流電源裝置、充電裝置。在改進(jìn)的裝置中公共變電裝置、直流電源裝置即為原特種直流電源裝置。裝置改進(jìn)后，將特種直流電源分作了兩個(gè)部分，逆變管后、高頻變壓器前的部分為公共變電裝置，供特種直流電源裝置、蓄電池充放電裝置共同使用，為其提供高壓高頻交流電源。公共變電裝置后級(jí)并聯(lián)直流電源裝置和蓄電池充放電裝置。公共變電裝置一路輸出經(jīng)高頻變壓器變壓、二極管 D1-D12的整流作用后，經(jīng)濾波電路輸出28.5 V直流電；另一路經(jīng)高頻變壓器T7變壓后，經(jīng)整流橋 D13-D16整流、電容/電感濾波后為充電后級(jí)電路供電。

兩者集成化設(shè)計(jì)，輸出功率是需要考慮的重點(diǎn)問(wèn)題。直流電源的額定功率為10 kW，充放電裝置的最高電壓為36 V，最大充電電流為40 A，單組充電電路的最大功率為1.44 kW，雙組充電電路最大功率為2.88 kW，按照功率最大化的保障原則，將輸出額定功率小幅提高至13 kW就可同時(shí)滿(mǎn)足飛機(jī)起動(dòng)用電、蓄電池充電用電的需求。

改進(jìn)裝置將兩種電源裝備合二為一，節(jié)約了一套整流、逆變裝置，減小了設(shè)備體積，節(jié)約了艦上寶貴的艙室空間，節(jié)約了設(shè)備生產(chǎn)成本,也因此降低了維護(hù)工作量。

4 結(jié)論

艦載特種直流電源、蓄電池充放電裝置是重要的艦面電源保障設(shè)備，兩者輸出電源類(lèi)型均為直流。本文在二者共性的基礎(chǔ)上對(duì)兩種類(lèi)型供電裝置進(jìn)行集約化設(shè)計(jì)，精簡(jiǎn)了蓄電池充放電裝置中的整流與半控橋逆變電路部分，該部分功能由直流電源部分的整流電路、全控橋逆變電路部分代替，減小了設(shè)備體積，節(jié)約了寶貴空間。不同的艦船配置的特種電源和蓄電池充放電裝置基本類(lèi)似，因此改進(jìn)的特種直流電源、蓄電池充放電裝置具有廣泛的應(yīng)用前景，對(duì)于艦面電源采用靜變技術(shù)的大型艦船，改進(jìn)裝置同樣適用。

圖3 蓄電池充放電裝置功率電路原理圖

圖4 改進(jìn)的直流電源蓄電池充放電裝置電路原理圖

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